Свойства изучаемого материала

Физико-механические Физико-механические свойства керамических материалов непосредственно связаны с характером их структуры, образующиеся в процессе обжига.

Выделяют материалы с пористым и плотным черепком. Большинство керамических материалов имеют пористую структуру (кирпич, черепица, плиты, плитки, кирпичи дл облицовки стен и др.).

Пористость керамического черепка (у пористых изделий) обычно составляет 10 — 40%, она возрастает при введении в керамическую массу выгорающих, пенообразующих и других добавок. Стремясь снизить объемную массу и теплопроводность, прибегают к созданию пустот в кирпиче и керамических камнях.

Водопоглощение характеризует пористость керамического черепка. У некоторых глин оно достигает больших количеств, причём вода проникает не только по трещинам и капиллярам, но и между слоями в кристаллической решётке некоторых минералов, раздвигая их с эффектом набухания глины до 40% и более. Пористые керамические изделия имеют водопоглощение 6 — 20% по массе, т. е. 12 — 14% по объему. У плотных же изделий водопоглощение гораздо меньше: 1 — 5% по массе (2 — 10% по объему). Водопоглощение лицевого кирпича должно быть не менее 6 и не более 8%.

Для определения водопоглощения кирпича керамического обыкновенного, пустотелого, керамических камней, плит и кирпичей фасадных от партии отбирают три наиболее типичных образец (целых, или их половинки). При испытании керамических пли, архитектурных деталей, имеющих значительные размеры, выпиливают образцы высотой и длинной 100 мм, толщиной, равной толщине изделия. Образец, выпиленный из пустотелого изделия, должен содержать не менее одной полной пустоты. Образцы очищают от пыли и грязи войлочной щёткой, высушивают до постоянной массы, взвешивая с погрешностью до 1 г. Образцы насыщают водой при температуре 20 (±5) є С. Плитки для полов (5 образцов) промывают дистиллированной водой, высушивают до постоянной массы, взвешивают после остывания в ванне с водой в течение 1 ч.

Морозостойкость. Марка по морозостойкости означает число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает изделие в условиях стандартного испытания без каких-либо признаков видимых повреждений (расслоение, шелушение, растрескивание, выкрашивание). Согласно исследованиям А. С. Беркмана и И. Г. Мельниковой керамический материал морозостоек, если в нем объем резервных пор достаточен для компенсации прироста объема замерзающей воды в опасных порах. К резервным относятся крупные поры (диаметром больше 200 мкм), в которых капиллярное давление недостаточно для удержания воды. Опасные поры (диаметром 200 мкм и менее) удерживают воду, замерзающую при температуре от — 15 до — 20 °C.

Морозостойкость лицевого кирпича должна быть не менее F35.

Морозостойкость кирпича, камней, плиток, черепицы оценивают, используя целые изделия. Из фасадных плит и архитектурных деталей предварительно готовят образцы, размеры которых аналогичны размерам образцов для определения водопоглощения. От каждой партии отбирают не менее 5 образцов, размеры которых аналогичны размерам образцов для определения водопоглощения. От каждой партии отбирают не менее 5 изделий для испытаний, а 5 изделий являются контрольными — после насыщения водой в течение 48 часов их испытывают на сжатие. Испытуемые образцы после насыщения водой в течение 48 часов помещают в морозильную камеру с температурой — 17 єС. Расстояния между образцами должно быть не менее 29 мм, чтобы был обеспечен доступ холодного воздуха. Морозильную камеру загружают не более чем на 50%. Время выдержки образцов в морозильной камере зависит от толщины их стенки: при толщине не более 50 мм их выдерживают 4 ч; при толщине стенок 70,7 мм — не менее 6 ч; при толщине стенки 100 мм — не менее 8 ч. Продолжительность одного замораживания кирпича различных видов не менее 5 ч. Длительность оттаивания образцов в ванне с водой при температуре +15…20 єС не менее 4 ч. После каждых пяти или десяти циклов замораживания или оттаивания оценивают степень разрушения или повреждения материала. При необходимость определяют потерю прочности образцами, сравнивая предел прочности при сжатии после заданного количества циклов замораживания-оттаивания с аналогичной величеной после насыщения водой в течение 48 ч.

Прочность керамических материалов зависит от фазового состава керамического черепка и пористости.

Между прочностью керамического черепка R_сж и его коэффциентом плотности k_пл прослеживается зависимость (по М.И. Рогову):

R_сж =R₀k_пл³

где R₀ — предел прочности при сжатии абсолютно твёрдого черепка.

k_пл — коэффициент плотности k_пл =г/с; г и с — соответственно объёмная масса и плотность керамического черепка.

Для определения предела прочности при сжатии кирпича их укладывают постельными гранями один на другой. Предварительно обработанные для испытания образцы полнотелых изделий распиливают на 2 равные части о ширине и, направляя поверхности распила в противоположные стороны, склеивают цементным тестом. Таким же тестом выравнивают внешние поверхности. Полученные образцы, близкие по форме к кубу, выдерживают до испытания 3…4 суток во влажных условиях. Допускается определение прочности при сжатии полнотелого кирпича, испытывая целые изделия, склеивая и выравнивая их поверхности аналогичным образом. Целые изделия испытывают и при определении прочности при сжатии кирпича и камней керамических пустотелых.

Предел прочности при изгибе устанавливают, испытывая целое изделие, уложенное постельной гранью на 2 опоры, находящиеся на расстоянии 200 мм. Сосредоточенную нагрузку прилагают к аналогичной опоре в середине пролета. Для выравнивания постели кирпич в местах приложения нагрузки наносят слой цементного теста шириной 20…30 и толщиной 3 мм. Перед испытанием образцы выдерживают во влажных условиях 3…4 суток.

Предел прочности при изгибе определяют, используя целые фасадные плиты. При этом одна из цилиндрических опор должна быть подвижной, расстояние между опорами 200 мм. Нагрузка прикладывается к опоре в середине пролёта.

Огнеупорность — важнейшее свойство глин выдерживать высокую температуру, не расплавляясь и не деформируясь. Огнеупорность зависит от химического и минерального состава глин. Присутствие каолинита всегда повышает степень огнеупорности, а даже небольшое количество в ней минералов понижает температуру давления.

Для чистого каолинита огнеупорность равна 1780° С. По огнеупорности глины подразделяются на огнеупорные — с огнеупорностью более 1580° С, тугоплавкие — с огнеупорностью 1350−1580° С и легкоплавкие — с огнеупорностью менее 1350° С.

Для получения керамических строительных материалов используют преимущественно легкоплавкие (кирпичные) глины, содержащие значительное количество кварцевого песка, соединений железа и других плавней.

Теплопроводность абсолютно плотного керамического черепка большая — 1,16 Вт/(м· єС). Воздушные поры и пустоты, создаваемые в керамических изделиях снижают объёмную массу и значительно снижают теплопроводность.

Термостойкость — способность выдерживать резкую смену температуры (нагрев в воздушной бане до +100 єС и погружение в воду с температурой +18 — 20 єС). При этом целостность лицевого слоя должна сохраняться.

Коррозионная стойкость керамических плиток оценивается при действии растворов бытовой химии, добавок для воды в бассейнах и др. агрессивных веществ. Выделяют 5 классов изделий АА, А, В, С, Д. Например класс АА означает, что плитка не подвержена коррозии, класс, А — высокую коррозионную стойкость.

Пластичность — способность глиняного теста под действием внешних сил принимать заданную форму без образования трещин и устойчиво сохранять ее.

Примеси, содержащиеся в глинах, понижают пластичность глин и тем в большей степени, чем выше их содержание. Пластичность глин повышается с увеличением количества воды в глиняном тесте, но до некоторого предела, сверх которого глиняное тесто начинает терять удобоформуемость (прилипает к поверхности глиноперерабатывающих машин). Чем пластичнее глины, тем больше они требуют воды для получения удобоформуемого глиняного теста и тем больше их воздушная усадка.

Техническим показателем пластичности является число пластичности:

Пл = W_т — W_р,.

где Wт и Wр значения влажности в%, соответствующие пределу текучести и пределу раскатывания глиняного жгута.

Высокопластичные глины имеют водопотребность более 28%, число пластичности более 15, и воздушную усадку 10…15%. Изделия из этих глин сильно уменьшаются в объеме при высыхании и дают трещины. Излишняя пластичность устраняется введением отощающих добавок.

Глины средней пластичности имеют водопотребность 20…28%, число пластичности 7…15 и воздушную усадку 7…10%.

У малопластичных глин водопотребность менее 20%, число пластичности менее 7 и воздушную усадку 5…7%. Изделия из этих глин трудно формовать. Недостаточную пластичность устраняют путем освобождения от песка (отмучивания), вылеживания (естественного выветривания), измельчения в специальных машинах, обработкой паром или добавлением пластичной глины.

Связность — усилие, необходимое для разъединения частиц глины. Связность обусловлена малой величиной и пластинчатой формой частиц глинистого вещества. Чем выше количество глинистых фракций, тем выше связность.

Связующая способность глины выражается в том, что глина может связывать частицы непластичного вещества (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие — сырец.

Усадка глин. Глинистые минералы при смачивании глин водой набухают вследствие того, что поглощаемая ими вода располагается между отдельными слоями их кристаллических решеток; при этом межплоскостные расстояния решеток значительно увеличиваются. При сушке глин происходит обратный процесс, сопровождающийся усадкой.

Воздушаая усадка — уменьшение линейных размеров и объема образца из глиняного теста при высыхании. Воздушная усадка тем больше, чем выше пластичность глины.

При обжиге глин после удаления гигроскопической влаги и выгорания органических примесей происходит разложение глинистых минералов. Так, каолинит при температуре 500 — 600 °C теряет химически связанную воду; при этом процесс протекает с полным распадом кристаллической решетки и образованием аморфной смеси глинозема А1₂О₃ и кремнезема SiO₂. При дальнейшем нагреве до температур 900 — 950° С возникают новые металлические силикаты, например муллит 3Al₂О₃ * 2SiО₂, и образуется некоторое количество расплава (жидкой фазы) вследствие плавления наиболее легкоплавких минералов, входящих в состав обжигаемых глиняных масс. Чем больше в составе глин окислов-плавней Na₂O, К₂O, MgO, CaO, Fe₂O₃, тем ниже температура образовали жидкой фазы. В процессе обжига под действием сил поверхностного натяжения жидкой фазы твердые частицы обжигаемого материала сближаются, и объем его уменьшается, т. е. происходит огневая усадка.

Эстетические Эстетические характеристики лицевого кирпича связаны с видом и составом используемого сырья (глины), параметрами различных технологических операций и могут регулироваться в процессе производства.

Цвет кирпича зависит от добавляемого компонента в сырьевую основу. Так, при наличии в глинах определённого количества оксидов железа изделия приобретают различные красные оттенки, а при наличии большого количества известковых включений — светло-коричневые и бежевые тона. Добавляя в глиняную массу из светложгущихся глин минеральные красители, можно получать изделия разных цветов и оттенков. Коричневые тона получают при наличии марганцевых руд, серые — хромистых руд. При обжиге изделия могут получать тёмно-серый и даже чёрный цвет.

Рельефный рисунок получают при обработке лицевой поверхности специальными валиками, щётками и гребёнками или горизонтальными струнами. Используют валики с острыми или тупыми выступами, щётки из грубой или тонкой проволоки. Дл отделки материалов, имитирующих древесную кору, применяют горизонтальную струну, срезающую тонкий слой с поверхности глиняного бруса, при помощи стержней разделяют срезанный слой глины на продольные равные волокна, а затем гладким валиком прижимают образовавшиеся волокна к брусу.

Кирпич или плитка могут иметь различную фактуру и рисунок лицевой поверхности. Например, фактура плиток для внутренней облицовки поверхности может быть гладкой или рельефной (в том числе и пирамидальной), блестящей или матовой. При использовании цветных прозрачных или глухих глазурей получают цветные однотонные плитки. Методом набрызгивания различных по цвету глазурей изготавливают плитки с мраморовидным рисунком. Однои многоцветный рисунок можно получать при помощи порошковых керамических красок, содержащих смолы, в электростатическом поле. Рельефный рисунок наносят на лицевую поверхность плитки в процессе прессования.